Определение температуры в изолированном дражном разрезе

УДК 622.271.3(07)
Определение температуры в изолированном дражном разрезе
Севик Х.У., Нафиков Р. З.
Научный руководитель д-р. техн. наук Кисляков В.Е.
Сибирский федеральный университет
Добыча
золота
производится
главным
образом
из
россыпных
месторождений. Наибольшее распространение, при разработке обводненных
месторождений, получил дражный способ разработки.
По статистике разработка 20 из 38 месторождений в настоящее время, в
условиях длительного срока их окупаемости, не целесообразна. Длительный срок
окупаемости главным образом связан с добычным сезоном, продолжительность
которого ограничена суровыми климатическими условиями регионов.
Выявлено, что в северных широтах продолжительность добычного сезона
снижается до 120-140 дней. На рис. 1 показана зависимость продолжительности
добычного сезона от географической широты расположения месторождений.
Продолжительность
добычного сезона, сут
265
245
y = 34693x-1,267
225
205
185
165
145
125
50
55
60
65
70
75
Географическая широта, град
Рисунок 1 - Изменение средней продолжительности добычного сезона в зависимости от
географической широты
Одним новых методов продления добычного сезона является технология
перекрытия разрабатываемого участка искусственным материалом. Предлагаемая
технология позволит исключить из технологического цикла такие процессы как
предохранение грунта от промерзания и необходимость его оттаивания перед
началом отработки, следовательно произойдёт значительное снижение затрат и
повысится эффективность проведения горных работ в течение года.
Энергетический баланс в изолированном дражном разрезе будет выглядеть
следующим образом:
Q из = Q вод + Q c +Q др − Q ух , Дж,
(1)
где Q из – количество энергии, находящейся внутри изолированного дражного
разреза, Дж; Q вод – количество энергии, излучаемое водой, Дж; Q c – количество
энергии, полученной в процессе инсоляции, Дж; Q др – тепловая энергия, выделяемая
двигателями драги, Дж; Q ух – количество энергии теряемой через стенки
изоляционного материала, Дж.
С другой стороны величина Q из находится следующим образом:
Q из = ср ∙ ν ∙ (Tиз − Tос ), Дж,
(2)
где ср – теплоемкость воздуха, Дж/кг·К; ν – число молей воздуха; Tиз – температура
воздуха в изолированном дражном разрезе, К; Tос – температура воздуха
окружающей среды, К.
Влияние подаваемого воздуха для проветривания на температуру внутри
изолированного дражного разреза найдем по формуле идеального газа:
Pв ∙ Vв = ν ∙ R ∙ Toc ,
(3)
где Pв – давление воздуха, Па; Vв – объем воздуха, м3; R – газовая постоянная,
Дж/К∙моль.
Выразим ν и разделим обе части уравнения на t из :
ν
tиз
Pв ∙Vв
=
R∙Toc∙tиз
,
(4)
где t из – время, в течение которого рассчитывается количество энергии внутри
изолированного дражного разреза, с.
В полученной формуле величина
Vв
tа
– это необходимое количество
подаваемого воздуха за единицу времени для одного человека (по строительным
нормам и правилам – 60 м3/час).
В конечном виде уравнение (2) примет следующий вид:
Q а = ср ∙
Pв
R∙Toc
∙
Vв
tиз
∙ Nч ∙ (Tа − Tос ) ∙ t из , Дж,
(5)
где Nч – количество людей, находящихся внутри изолированного дражного разреза.
По закону Стефана–Больцмана количество энергии, излучаемое водой
внутри изолированного дражного разреза, будет равно:
Q вод = αв ∙ σ ∙ Tв4 ∙ Sв ∙ t в , Дж,
(6)
где αв – коэффициент поглощения энергии водой; σ – постоянная Стефана–
Больцмана, σ = 5,67 ∙ 10−8 Вт/м2 ∙ К4 ; Tв – температура воды в дражном разрезе, К;
Sв – площадь поверхности воды внутри изолированного дражного разреза, м2; t в –
время выделения энергии водой, с.
Количество энергии, полученной в процессе инсоляции:
Q c = γ ∙ α ∙ Sиз ∙ t c, Дж,
(7)
где γ – солнечная постоянная, Вт/м2; α – коэффициент поглощения солнечного
излучения; Sиз – площадь поверхности изоляционного материала, м2; t c –
продолжительность солнечного света, с.
Тепловая энергия, выделяемая двигателями драги равна:
Q др = Адв − Амех = P ∙ t др − η ∙ Адв = t др ∙ P ∙ (1 − η), Дж,
(8)
где Адв – полная работа двигателя, Дж; Амех – механическая работа, Дж; P –
мощность электродвигателей драги, Вт; t др – продолжительность работы драги, с; η
– КПД двигателя.
Мощность двигателей зависит от типа драги. Данные представлены на рис. 2.
Мощность электродвигателей
драги, кВт
8000
7000
6000
у = 371,94e0,0048х
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
100
200
300
400
Емкость черпаков, л
500
600
700
Рисунок 2 - Зависимость мощности электродвигателей драги от емкости черпаков
Количество теряемой энергии через стенки изолирующего материала
находится следующим образом:
Q ух = −λиз ∙
(Tос −Tиз )
hиз
∙ Sиз ∙ t ух , Дж,
(9)
где λиз – коэффициент теплопроводности изолирующего материала, ВТ/м2∙К; t ух –
время выделения энергии через изолирующий материал, с; hиз – толщина
изолирующего материала, м.
Далее подставляем полученные выражения в формулу (1) и выражаем
температуру внутри изолированного дражного разреза:
αв ∙ σ ∙ Tокр 4 ∙ Sв + γ ∙ α ∙ Sиз + P ∙ (1 − η)+Tос ∙ (ср ∙
Tиз =
λ ∙S
Pв
V
∙ в ∙ Nч + из из )
R ∙ Toc t из
hиз
λ ∙S
Pв
V
ср ∙
∙ в ∙ N + из из
R ∙ Toc t из ч
hиз
Подставив числовые значения для драги 80Д и поликарбоната в качестве
Температура внутри изолированного
дражного разреза, Сº
изоляционного материала, получаем следующую зависимость:
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-30
-20
-10
0
10
Температура окружающей среды, Сº
4 мм
6 мм
8 мм
20
30
10 мм
Рисунок 3 – Зависимость температуры внутри изолированного дражного разреза от температуры
окружающей среды для ангаров из поликарбоната различной толщиной стенок
В результате выполненной работы, можно сделать вывод, что изолирование
дражного разреза теплоизоляционным материалом позволяет продлить добычной
сезон драги на 2-3 месяца, так как температура внутри изолированного дражного
разреза будет больше температуры окружающей среды.
,С